特開 2024-136884 ロボットの手首機構

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024136884

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】ロボットの手首機構

(51)【国際特許分類】

   B25J 17/02 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

B25J17/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048181

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】390000804

【氏名又は名称】白山工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078776

【弁理士】

【氏名又は名称】安形 雄三

(74)【代理人】

【識別番号】100121887

【弁理士】

【氏名又は名称】菅野 好章

(72)【発明者】

【氏名】広瀬 茂男

(72)【発明者】

【氏名】木村 直人

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707BT05

3C707BT06

3C707ES03

3C707ET03

3C707EU05

3C707HT02

3C707HT03

3C707HT04

3C707HT24

(57)【要約】

【課題】原子炉などの極限状態においても構成要素が破壊、損傷されることなく信頼性が高く、純粋にメカニカルな構造となっていて、作業を行うロボットの指先を含めた４自由度で柔軟に動作するロボットの手首機構を提供する
【解決手段】グリッパを具備するロボットの手首機構において、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力で、互いに直交する３軸自由度の回転運動と、グリッパを開閉する１自由度の開閉運動を実現する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

グリッパを具備するロボットの手首機構において、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力で、互いに直交する３軸自由度の回転運動と、前記グリッパを開閉する１自由度の開閉運動とを実現することを特徴とするロボットの手首機構。

【請求項2】

前記３軸自由度の回転運動が、第１回転軸と、前記第１回転軸に直交する第２回転軸と、前記第２回転軸に直交する第３回転軸とで成る請求項１に記載のロボットの手首機構。

【請求項3】

第１回転軸回りに回転自在に支持され、第１の駆動源で回転駆動される第１の傘歯車と、
前記第１回転軸回りに回転自在に支持され、前記第１の傘歯車の軸内を貫通し、第３の駆動源で駆動される第３の傘歯車と、
前記第１回転軸回りに、前記第１の傘歯車及び前記第３の傘歯車と対向して回転自在に支持され、第２の駆動源で駆動される第２の傘歯車と、
前記第２の傘歯車の軸内を貫通して回転自在に支持され、第４の駆動源で駆動される第４の傘歯車と、
前記第１の傘歯車及び前記第２の傘歯車と噛合し、前記第１回転軸と直交する第２回転軸回りに回転自在に支持される第５の傘歯車と、
前記第２回転軸回りに回転自在に支持される前記第５の傘歯車の軸内を貫通して回転自在に支持され、前記第３の傘歯車と噛合する第６の傘歯車と、
前記第２回転軸回りに回転自在に支持される前記第６の傘歯車の軸内を貫通して回転自在に支持され、前記第４の傘歯車と噛合する第７の傘歯車と、
前記第６の傘歯車の軸の他端に連結された第８の傘歯車と、
前記第７の傘歯車の軸の他端に連結された第９の傘歯車と、
前記第２回転軸と直交する第３回転軸の一端に連結され、前記第８の傘歯車と噛合する第１０の傘歯車と、
前記第９の傘歯車と噛合し、軸が前記第１０の傘歯車の軸内を貫通して前記第３回転軸の一端に連結された第１１の傘歯車と、
前記第３回転軸の他端に連結されたグリッパと、
前記第１１の傘歯車の他端に連結され、前記グリッパを開閉する減速機構と、
で構成されていることを特徴とするロボットの手首機構。

【請求項4】

前記第１の駆動源による前記第１の傘歯車の駆動と前記第２の駆動源による前記第２の傘歯車の駆動により、前記第２回転軸の前記第１転軸回りの回転角と自分自身の第２回転軸回りの回転角を制御し、前記第３の駆動源による前記第３の傘歯車の駆動により、前記第３回転軸の第２回転軸回りの回転角を制御し、前記第４の駆動源による前記第４の傘歯車の駆動により、前記減速機構を介して前記グリッパを開閉制御する請求項３に記載のロボットの手首機構。

【請求項5】

第１回転軸回りに回転自在に支持され、軸の一端に第１の駆動輪が連結され、他端に第１の回転輪が連結された第１の駆動体と、
前記第１回転軸回りに回転自在に支持され、前記第１の駆動体の軸を貫通した軸の一端に第３の駆動輪が連結され、他端に第３の回転輪が連結された第３の駆動体と、
前記第１回転軸回りに、前記第１の駆動体及び前記第３の駆動体と対向し、軸の一端に第２の駆動輪が連結され、他端に第２の回転輪が連結された第２の駆動体と、
前記第１回転軸回りに、前記第２の駆動体の軸を貫通した軸の一端に第４の駆動輪が連結され、他端に第４の回転輪が連結された第４の駆動体と、
前記第１回転軸と直交して配設された第５の回転輪と、
回転自在に前記第５の回転輪を貫通した軸の一端に連結された第６の回転輪と、他端に連結された第８の回転輪と、
前記第５の回転輪及び前記第６の回転輪の軸を貫通した軸の一端に連結された第７の回転輪と、他端に連結された第９の回転輪と、
前記第２回転軸と直交して配設された第３回転軸の一端に設けられた第１０の回転輪と、他端に第１の減速装置を介して連結されたグリッパと、
前記第１０の回転輪を貫通した軸の一端に設けられた第１１の回転輪と、前記第１１の回転輪の他端に設けられた第２の減速装置で駆動される前記グリッパの把持部材と、
第１の方向変換用回転体を介して、前記第１の回転輪、前記第５の回転輪、前記第２の回転輪に懸架された第１の紐状部材と、
第２の方向変換用回転体を介して、前記第３の回転輪、前記第７の回転輪に懸架された第２の紐状部材と、
第３の方向変換用回転体を介して、前記第４の回転輪、前記第６の回転輪に懸架された第３の紐状部材と、
第４の方向変換用回転体を介して、前記第９の回転輪、前記第１０の回転輪に懸架された第４の紐状部材と、
第５の方向変換用回転体を介して、前記第８の回転輪、前記第１１の回転輪に懸架された第５の紐状部材と、
で構成されていることを特徴とするロボットの手首機構。

【請求項6】

前記第１の駆動源による前記第１の回転輪の駆動及び前記第２の駆動源による前記第２の回転輪の駆動と前記第５の回転輪の係合により、前記第１回転軸回りの第２回転軸の回転と、前記第２回転軸回りの第３回転軸の回転角を制御し、
前記第３の駆動源による前記第３の回転輪の駆動により、前記第３回転軸回りの回転角を前記第１の減速装置を介して制御し、
前記第４の駆動源による前記第４の回転輪の駆動により、前記第２の減速装置を介して前記グリッパを開閉制御する請求項５に記載のロボットの手首機構。

【請求項7】

前記第１の回転輪～前記第１１の回転輪がいずれもプーリであり、前記第１の紐状部材～前記第５の紐状部材がいずれもワイヤ若しくはロープである請求項５又は６に記載のロボットの手首機構。

【請求項8】

前記第１の回転輪～前記第１１の回転輪がいずれもスプロケットであり、前記第１の紐状部材～前記第５の紐状部材がいずれもチェーンである請求項５又は６に記載のロボットの手首機構。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はロボットの手首機構に関し、特に３方向の回転と共に、グリッパの開閉も行い得る４自由度のロボットの手首機構に関する。即ち、本発明は、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力で、互いに直交する３軸自由度の回転運動と、グリッパを開閉する１自由度の開閉運動（回転運動）とを実現するロボットの手首機構に関する。

【背景技術】

【0002】

ロボットの手首機構は、ロボットアームの先端部のロボットハンドを繋ぐ部分に相当し、手首機構の先端部には、物体を把持するなどの作業を行うグリッパ（指）が設けられている。根元側の駆動源から動力伝達されるように構成される、ロボットの手首機構に関する従来技術を示す文献として、例えば下記文献が挙げられるが、いずれも３自由度以下の動きに留まっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６４４３４５６号公報

【特許文献2】特開昭５７－６１４９１号公報

【特許文献3】特開平８－１４１９６８号公報

【特許文献4】特開２００６－２８９５３４号公報

【特許文献5】米国特許出願公開第2012/0067150号明細書

【特許文献6】米国特許出願公開第2012/0034022号明細書

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Makoto Jinno, “Proof of concept for a wrist mechanism for articulated forceps for use in robot-assisted laparoscopic surgery”, ROBOMECH Journal 5, Article number. 5 (2018)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

廃炉作業を行うロボットの指先や手首は、高放射性物質に直接触れたり、すぐ傍らに近づくため、放射線に弱い半導体部品やセンサを搭載しないことが望ましい。即ち、モータ（アクチュエータ）やモータドライバはアーム機構の基台部に搭載し、手先機構は純粋にメカニカルな機構駆動系のみで構成して、根元から遠隔駆動することが望ましい。そして、手首機構には３方向の回動と共に、グリッパの開閉も含めると合計４自由度の運動を遠隔操作できることが必要である。

【0006】

しかしながら、従来のロボットの手首機構では、根元からの動力伝達でもって４自由度の運動（回動）をするものは存在していなかった。

【0007】

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、原子炉などの極限状態においても構成要素が破壊、損傷されることなく信頼性が高く、純粋にメカニカルな構造となっていて、作業を行うロボットの指先を含めた４自由度で柔軟に動作するロボットの手首機構を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、グリッパを具備するロボットの手首機構に関し、本発明の上記目的は、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力で、互いに直交する３軸自由度の回転運動と、前記グリッパを開閉する１自由度の開閉運動を実現することにより達成される。

【0009】

また、本発明の上記目的は、第１回転軸回りに回転自在に支持され、第１の駆動源（Ｘ_１）で回転駆動される第１の傘歯車（１０１）と、前記第１回転軸回りに回転自在に支持され、前記第１の傘歯車（１０１）の軸内を貫通し、第３の駆動源（Ｘ_３）で駆動される第３の傘歯車（１０３）と、前記第１回転軸回りに、前記第１の傘歯車（１０１）及び前記第３の傘歯車（１０３）と対向して回転自在に支持され、第２の駆動源（Ｘ_２）で駆動される第２の傘歯車（１０２）と、前記第２の傘歯車（１０２）の軸内を貫通して回転自在に支持され、第４の駆動源（Ｘ_４）で駆動される第４の傘歯車（１０４）と、前記第１の傘歯車（１０１）及び前記第２の傘歯車（１０２）と噛合し、前記第１回転軸と直交する第２回転軸回りに回転自在に支持される第５の傘歯車（１１０）と、前記第２回転軸回りに回転自在に支持される前記第５の傘歯車（１１０）の軸内を貫通して回転自在に支持され、前記第３の傘歯車（１０３）と噛合する第６の傘歯車（１１１）と、前記第２回転軸回りに回転自在に支持される前記第６の傘歯車（１１１）の軸内を貫通して回転自在に支持され、前記第４の傘歯車（１０４）と噛合する第７の傘歯車（１１２）と、前記第６の傘歯車（１１１）の軸の他端に連結された第８の傘歯車（１１３）と、前記第７の傘歯車（１１２）の軸の他端に連結された第９の傘歯車（１１４）と、前記第２回転軸と直交する第３回転軸の一端に連結され、前記第８の傘歯車（１１３）と噛合する第１０の傘歯車（１２０）と、前記第９の傘歯車（１１４）と噛合し、軸が前記第１０の傘歯車（１２１）の軸内を貫通して前記第３回転軸の一端に連結された第１１の傘歯車（１２１）と、前記第３回転軸の他端に連結されたグリッパ（１４０）と、前記第１１の傘歯車（１２１）の他端に連結され、前記グリッパ（１４０）を開閉する減速機構（１３０）とで構成されていることにより達成される。

【0010】

更に、本発明の上記目的は、第１回転軸回りに回転自在に支持され、軸の一端に第１の駆動輪（２０１Ｂ）が連結され、他端に第１の回転輪（２０１Ｃ）が連結された第１の駆動体（２０１）と、前記第１回転軸回りに回転自在に支持され、前記第１の駆動体（２０１）の軸を貫通した軸の一端に第３の駆動輪（２０３Ｂ）が連結され、他端に第３の回転輪（２０３Ｃ）が連結された第３の駆動体（２０３）と、前記第１回転軸回りに、前記第１の駆動体（２０１）及び前記第３の駆動体（２０３）と対向し、軸の一端に第２の駆動輪（２０２Ｂ）が連結され、他端に第２の回転輪（２０２Ｃ）が連結された第２の駆動体（２０２）と、前記第１回転軸回りに、前記第２の駆動体（２０２）の軸を貫通した軸の一端に第４の駆動輪（２０４Ｂ）が連結され、他端に第４の回転輪（２０４Ｃ）が連結された第４の駆動体（２０４）と、前記第１回転軸と直交して配設された第５の回転輪（２１０）と、回転自在に前記第５の回転輪（２１０）を貫通した軸の一端に連結された第６の回転輪（２１１）と、他端に連結された第８の回転輪（２１２）と、前記第５の回転輪（２１０）及び前記第６の回転輪（２１１）の軸を貫通した軸の一端に連結された第７の回転輪（２１３）と、他端に連結された第９の回転輪（２１４）と、前記第２回転軸と直交して配設された第３回転軸の一端に設けられた第１０の回転輪（２２０）と、他端に第１の減速装置（２２１）を介して連結されたグリッパ（２９０）と、前記第１０の回転輪（２２０）を貫通した軸の一端に設けられた第１１の回転輪（２３０）と、前記第１１の回転輪（２３０）の他端に設けられた第２の減速装置（２３１）で駆動される前記グリッパ（２９０）の把持部材（２９１，２９２）と、第１の方向変換用回転体（２４１，２４２）を介して、前記第１の回転輪（２０１Ｃ）、前記第５の回転輪（２１０）、前記第２の回転輪（２０２Ｃ）に懸架された第１の紐状部材（２４０）と、第２の方向変換用回転体（２５１）を介して、前記第３の回転輪（２０３Ｃ）、前記第７の回転輪（２１３）に懸架された第２の紐状部材（２５０）と、第３の方向変換用回転体（２６１）を介して、前記第４の回転輪（２０４Ｃ）、前記第６の回転輪（２１１）に懸架された第３の紐状部材（２６０）と、第４の方向変換用回転体（２７１）を介して、前記第９の回転輪（２１４）、前記第１０の回転輪（２２０）に懸架された第４の紐状部材（２７０）と、第５の方向変換用回転体（２８１）を介して、前記第８の回転輪（２１２）、前記第１１の回転輪（２３０）に懸架された第５の紐状部材（２８０）とで構成されていることにより達成される。

【発明の効果】

【0011】

本発明のロボットの手首機構によれば、メカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力で、互いに直交する３軸自由度の回転運動と、グリッパを開閉する１自由度の開閉運動とを備えていて、手首とグリッパにモータとその駆動回路が無いため、高放射能環境での耐放性が高く、ロボット動作の一層の拡張を図ることができ、柔軟に作業を行うことが可能となる。また、手首の機構駆動系に半導体部品やセンサなどを含まないので、原子炉のような高放射能領域においても、安定的で耐久性の優れた作業が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明に係るロボットの手首機構の一例を示す斜視図である。

【図2】グリッパの構成例を示す斜視図である。

【図3】歯車式手首機構の原理機構を示す模式的断面図である。

【図4】歯車式手首機構の実施例を示す平面図である。

【図5】歯車式手首機構の実施例を示す平面的断面図である。

【図6】歯車式手首機構の一部を示す平面図である。

【図7】図６の内部構造を示す平面図である。

【図8】歯車式手首機構の一部の詳細構造を示す斜視図である。

【図9】図８のA-A線, B-B線, C-C線の断面構造を示す断面図である。

【図10】プーリ式（若しくはスプロケット式）手首機構の原理機構を示す模式的断面図である。

【図11】プーリ式手首機構の実施例を示す平面図である。

【図12】プーリ式手首機構の実施例を示す平面的断面図である。

【図13】プーリ式手首機構の実施例を示す斜視図である。

【図14】プーリ式手首機構の実施例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明は、グリッパを具備するロボットの手首機構において、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力で、互いに直交する３軸自由度の回転運動と、グリッパを開閉する１自由度の開閉運動とを実現するロボットの手首機構である。

【0014】

即ち、図１で示すように、根本側に配置された４つの駆動源１１～１４から駆動力Ｘ_１～Ｘ_４がメカニカルな動力伝達系（ベルト、ワイヤ、ロープ、チェーンなどと、プーリ、ローラーなど）で伝搬され、駆動力Ｘ_１～Ｘ_３が、手首機構を構成する互いに直交する３軸自由度の駆動体１～３の回転角θ_１～θ_３をそれぞれ独立的に回転させる。駆動体２及び３は連結部４を介して連結されており、駆動体３の先端部にはグリッパ２０が設けられており、グリッパ２０は駆動力Ｘ_４により開閉されるようになっている。このように４つの駆動源１１～１４からの駆動力Ｘ_１～Ｘ_４により、互いに直交する３軸自由度の回転運動（θ_１～θ_３）と、グリッパ２０を開閉する１自由度の開閉運動（θ_４）とを実現している。

【0015】

図２はグリッパ２０の構成例を示しており、図２（Ａ）は同軸に配置された円筒状の駆動体３と、内部の円柱状の駆動体３１とが同一面であり、駆動体３に垂設された棒状の把持部材３－１と、駆動体３１に垂設された棒状の把持部材３１－１とでグリッパ２０を構成している。即ち、駆動体３と駆動体３１とが逆方向に回転（θ_４）することによって、把持部材３－１及び３１－１が離間若しくは接近して開閉する。また、図２（Ｂ）は、同軸に配置された円筒状の駆動体３の端面に対して、内部の円柱状の駆動体３２が突出しており、駆動体３に垂設された棒状の把持部材３－１と、駆動体３２に垂設された棒状の把持部材３２－１とでグリッパ２０を構成している。駆動体３と駆動体３２とが逆方向に回転（θ_４）することによって、グリッパ２０が開閉される。

【0016】

なお、グリッパ２０は、リンク機構などによっても構成可能であり、グリッパ２０自体は回転（θ_３）によって制御される。

【0017】

以下に、本発明の実施形態及び実施例を図面を参照して説明する。

【0018】

図３は、ロボットの歯車式手首機構（第１実施形態）１００の機構原理を、模式的な断面図で示している。本発明の手首機構１００は直交する３軸の回転軸を有しており、第１回転軸（θ_１）に直交する第２回転軸（θ_２）と、第２回転軸に直交する第３回転軸（θ_３）とである。

【0019】

手首機構１００は、第１回転軸回りに回転自在に支持され、駆動源からの駆動力Ｘ_１で駆動輪１０１Ｂを介して回転駆動される第１の傘歯車１０１と、第１回転軸回りに回転自在に支持され、第１の傘歯車１０１の軸１０１Ａ内を貫通し、駆動源からの駆動力Ｘ_３で駆動輪１０３Ｂを介して駆動される第３の傘歯車１０３と、第１回転軸回りに、第１の傘歯車１０１及び第３の傘歯車１０３と対向して回転自在に支持され、駆動源からの駆動力Ｘ_２で駆動輪１０２Ｂを介して駆動される第２の傘歯車１０２と、第２の傘歯車１０２の軸１０２Ａ内を貫通して回転自在に支持され、駆動源からの駆動力Ｘ_４で駆動輪１０４Ｂを介して駆動される第４の傘歯車１０４とを備えている。第１の傘歯車１０１の軸１０１Ａの他端には、駆動力Ｘ_１で駆動される駆動輪１０１Ｂが設けられ、第２の傘歯車１０２の軸１０２Ａの他端には、駆動力Ｘ_２で駆動される駆動輪１０２Ｂが設けられ、第３の傘歯車１０３の軸１０３Ａの他端には、駆動力Ｘ_３で駆動される駆動輪１０３Ｂが設けられ、第４の傘歯車１０４の軸１０４Ａの他端には、駆動力Ｘ_４で駆動される駆動輪１０４Ｂが設けられている。

【0020】

つまり、第１回転軸回りには、駆動力Ｘ_１～Ｘ_４で駆動される４枚の傘歯車１０１～１０４が設けられており、傘歯車１０１～１０４の各軸１０１Ａ～１０４Ａの他端部には、それぞれ駆動輪１０１Ｂ～１０４Ｂが設けられて連結されている。そして、駆動力Ｘ_１～Ｘ_４の伝達が、例えばワイヤやベルトで行われる場合、駆動輪１０１Ｂ～１０４Ｂはそれぞれプーリで構成される。

【0021】

第１の傘歯車１０１及び第２の傘歯車１０２は同一径サイズであり、かつ第２回転軸からそれぞれ同距離離れており、第３の傘歯車１０３は傘歯車１０１及１０２よりも小さい径サイズであり、かつ第２回転軸により近くなっている。第４の傘歯車１０４は傘歯車１０３より更に小さい径サイズであり、かつ第２回転軸に最も接近している。

【0022】

また、第１回転軸に直交する第２回転軸回りには、以下の傘歯車１１０～１１４が同軸に設けられている。即ち、第１の傘歯車１０１及び第２の傘歯車１０２と噛合し、第１回転軸と直交する第２回転軸回りに回転自在に支持される第５の傘歯車１１０と、第２回転軸回りに回転自在に支持される第５の傘歯車１１０の軸１１０Ａ内を貫通して回転自在に支持され、第３の傘歯車１０３と噛合する第６の傘歯車１１１と、第２回転軸回りに回転自在に支持される第６の傘歯車１１１の軸１１１Ａ内を貫通して回転自在に支持され、第４の傘歯車１０４と噛合する第７の傘歯車１１２と、第６の傘歯車１１１の軸１１１Ａの他端に連結された第８の傘歯車１１３と、第７の傘歯車１１２の軸１１２Ａの他端に連結された第９の傘歯車１１４とが設けられている。このように、第５の傘歯車１１０の軸１１０Ａ内を貫通する軸１１１Ａの一端には第６の傘歯車１１１が連結され、他端には第８の傘歯車１１３が連結され、軸１１１Ａ内を貫通する軸１１２Ａの一端には第７の傘歯車１１２が連結され、他端には第９の傘歯車１１４が連結されている。

【0023】

更に、第２回転軸と直交する第３回転軸の一端に連結され、第８の傘歯車１１３と噛合する第１０の傘歯車１２０と、第９の傘歯車１１４と噛合し、軸１２１Ａが第１０の傘歯車１２０の軸１２０Ａ内を貫通して第３回転軸の一端に連結された第１１の傘歯車１２１と、第３回転軸の他端に連結されたグリッパ１４０と、第１１の傘歯車１２１の軸１２１Ａの他端に連結され、グリッパ１４０を開閉するウォームギアなどで成る減速機構１３０とを備えている。グリッパ１４０の把持部は、把持部材１４１及び１４２で構成されており、回転角θ_４の回転で開閉されるようになっている（図２参照）。

【0024】

このような手首機構１００において、駆動力Ｘ_１～Ｘ_４に基づく駆動輪１０１Ｂ～１０４Ｂの回転換算入力角をそれぞれφ_１～φ_４として説明する。駆動力Ｘ_１による傘歯車１０１の駆動と駆動力Ｘ_２による傘歯車１０２の駆動により、第２回転軸の第１回転軸回りの回転角θ_２と手首機構の第２回転軸回りの回転角θ_１を制御することができる。回転角θ_１は下記数１で表わされ、回転角θ_２は下記数２で表わされる。

【0025】

【数1】

【0026】

【数2】

また、駆動源からの駆動力Ｘ_３により駆動輪１０３Ｂを回転させると、軸１０３Ａを経て傘歯車１０３が回転し、傘歯車１０３に噛合する傘歯車１１１が回転することにより、軸１１１Ａが回転する。軸１１１Ａの他端には傘歯車１１３が連結されているので、傘歯車１１３が回転し、傘歯車１１３に噛合している傘歯車１２０が回転し、第３回転軸回りの回転θ_３が得られる。回転θ_３は下記数３で表わされる。

【0027】

【数3】

更に、駆動源からの駆動力Ｘ_４により駆動輪１０４Ｂを回転させると、軸１０４Ａを経て傘歯車１０４が回転し、傘歯車１０４に噛合する傘歯車１１２が回転することにより、軸１１２Ａが回転する。軸１１２Ａの他端には傘歯車１１４が連結されているので、傘歯車１１４が回転し、傘歯車１１４に噛合している傘歯車１２１が回転し、減速比ηの減速機構１３０を介してグリッパ１４０の把持部材１４１及び１４２が回転（θ_４）され、グリッパ１４０が開閉される。回転θ_４は下記数４で表わされる。

【0028】

【数4】

上述のように、図３に示されるロボットの歯車式手首機構１００によれば、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力Ｘ_１～Ｘ_４により、互いに直交する３軸（第１回転軸～第３回転軸）の回転運動θ_１～θ_３と、グリッパ１４０を開閉（回転θ_４）する１自由度の開閉運動とを実現している。上記数１～数４を出力（θ_１～θ_４）と入力（φ_１～φ_４）で整理すると、下記数５となる。

【0029】

【数5】

図３に示す原理機構による具体的な実施例を、図４～図９に示して説明する。図４は、本発明に係る実施例の歯車式手首機構３００の全体平面図であり、図５はその平面的断面図であり、図６は歯車式手首機構３００の主要部詳細構造を示す平面図であり、図７はその平面的断面図である。図８は内部構造を示す斜視図であり、図９は図７のＡ－Ａ線（第２回転軸）、Ｂ－Ｂ線（第３回転軸）, Ｃ－Ｃ線（第１回転軸）の断面構造を示す断面図である。

【0030】

歯車式手首機構３００は図４及び図５に示すように、駆動力伝達部３１０、駆動部３２０、連結部３３０及びグリッパ３４０で構成されており、駆動部３２０、連結部３３０及びグリッパ３４０の平面図は図６であり、詳細な内部構成は図７及び図８に示されている。また、図６及び図７におけるＡ－Ａ線の断面図は図９（Ａ）であり、Ｂ－Ｂ線の断面図は図９（Ｂ）であり、Ｃ－Ｃ線の断面図は図９（Ｃ）である。

【0031】

図５に示される駆動力伝達部３１０のベルト３１１～３１４は、図７及び図８に詳細を示される駆動輪としてのプーリ３２１～３２４にそれぞれ懸架されており、駆動源からの駆動力（Ｘ_１～Ｘ_４）が回転で伝達される。プーリ３２１には、その回転軸を通して傘歯車３２１Ｇ（図３の傘歯車１０１に対応）が連結され、プーリ３２２には、その回転軸を通して傘歯車３２２Ｇ（図３の傘歯車１０２に対応）が連結され、プーリ３２３には、その回転軸を通して傘歯車３２３Ｇ（図３の傘歯車１０３に対応）が連結され、プーリ３２４には、その回転軸を通して傘歯車３２４Ｇ（図３の傘歯車１０４に対応）が連結されている。傘歯車３２１Ｇ及び３２２Ｇには傘歯車３２５（図３の傘歯車１１０に対応）が噛合しており、傘歯車３２３Ｇには傘歯車３２６（図３の傘歯車１１１に対応）が噛合しており、傘歯車３２６の回転軸の他端に連結された傘歯車３３１（図３の傘歯車１１３に対応）が連結部３３０に設けられている。また、傘歯車３２４Ｇには傘歯車３２７（図３の傘歯車１１２に対応）が噛合しており、傘歯車３２７の回転軸の他端に連結された傘歯車３３３が連結部３３０に設けられている。

【0032】

連結部３３０において、傘歯車３３１には傘歯車３３２（図３の傘歯車１２０に対応）が噛合しており、傘歯車３３３には傘歯車３３４（図３の傘歯車１２１に対応）が噛合している。そして、傘歯車３３２にはグリッパ３４０が連結されており、傘歯車３３４の軸の他端にはウォームギア３４３が連結されており、ウォームギア３４３にリンク機構３４４が係合している。リンク機構３４４の先端部には、平板状の把持部材３４１及び３４２が開閉可能に取り付けられている。

【0033】

このような手首機構３００において、駆動力（Ｘ_１～Ｘ_４）に基づく駆動力伝達部３１０のベルト３１１～３１４の駆動により、図３で説明した動作と同様に、第１回転軸回りの回転θ_１，第２回転軸回りの回転θ_２，第３回転軸回りの回転θ_３及びグリッパ３４０の開閉（回転θ_４）を制御することができる。

【0034】

上述の歯車式手首機構（第１実施形態）によれば、傘歯車の噛合により回転運動を確実に伝達できる反面、傘歯車で大きなトルクを伝達しようとすると、大型の鋼鉄の塊で作製されている傘歯車を使用することになって、著しく重くなってしまう不都合を生じ、身軽に作業ができなくなってしまう。そのため、ロボットの軽量化のためには、以下に説明するワイヤ・プーリ機構で動力を伝達するプーリ式手首機構（第２実施形態）が有効である。最近開発されている、ダイニーマなどの化学繊維ロープを使用したワイヤは軽量であり、しかも著しく破断荷重が高く、また、プーリなどもアルミ合金で作製できるため、全体として軽量化が可能である。

【0035】

図１０は、ロボットのプーリ式手首機構（第２実施形態）２００の機構原理を、一部断面の模式的な平面構成で示している。第２実施形態においても、第１実施形態と同様な３軸の回転軸（第１回転軸（θ_１）、第２回転軸（θ_２）、第３回転軸（θ_３））を有している。本例では回転輪をアルミ合金で成るプーリとし、プーリに懸架される紐状部材をダイニーマなどの化学繊維で成るワイヤとしている。

【0036】

ロボットのプーリ式手首機構２００は、第１回転軸回りに回転自在に支持され、軸２０１Ａの一端に第１の駆動輪２０１Ｂが連結され、他端に第１のプーリ２０１Ｃが連結された第１の駆動体２０１と、第１回転軸回りに回転自在に支持され、第１の駆動体２０１の軸２０１Ａを貫通した軸２０３Ａの一端に第３の駆動輪２０３Ｂが連結され、他端に第３のプーリ２０３Ｃが連結された第３の駆動体２０３と、第１回転軸回りに、第１の駆動体２０１及び第３の駆動体２０３と対向し、軸２０２Ａの一端に第２の駆動輪２０２Ｂが連結され、他端に第２のプーリ２０２Ｃが連結された第２の駆動体２０２と、第１回転軸回りに、第２の駆動体２０２の軸２０２Ａを貫通した軸２０４Ａの一端に第４の駆動輪２０４Ｂが連結され、他端に第４のプーリ２０４Ｃが連結された第４の駆動体２０４とを備えている。つまり、第１回転軸回りには、４つの駆動体２０１～２０４が設けられ、各駆動体２０１～２０４は、軸２０１Ａ～２０４Ａの各両端に連結された駆動輪２０１Ｂ～２０４Ｂ及びプーリ２０１Ｃ～２０４Ｃで構成されている。

【0037】

本例では、第２回転軸に対して、駆動体２０１～２０４の駆動輪２０１Ｂ～２０４Ｂは外側に配置され、プーリ２０１Ｃ～２０４Ｃは内側に配置されているが、内外が逆の配置であっても良い。駆動輪２０１Ｂ及び２０２Ｂは同一径であり、プーリ２０１Ｃ及び２０２Ｃも同一径である。本例では駆動輪２０３Ｂ及び２０４Ｂ、プーリ２０３Ｃ及び２０４Ｃが同一径となっているが、異なる径であっても良い。また、駆動輪２０１Ｂは駆動力Ｘ_１で駆動され、駆動輪２０２Ｂは駆動力Ｘ_２で駆動され、駆動輪２０３Ｂは駆動力Ｘ_３で駆動され、駆動輪２０４Ｂは駆動力Ｘ_４で駆動される。駆動輪２０１Ｂ～２０４Ｂの駆動により、それぞれ回転軸で連結されているプーリ２０１Ｃ～２０４Ｃが回転される。

【0038】

また、第１回転軸に直交する第２回転軸には、軸を第１回転軸と直交して配設された第５のプーリ２１０と、回転自在に、第５のプーリ２１０を貫通した軸２１１Ａの一端に連結された第６のプーリ２１１と、他端に連結された第８のプーリ２１２と、回転自在に、第６のプーリ２１１及び第８のプーリ２１２の軸２１１Ａを貫通した軸２１３Ａの一端に連結された第７のプーリ２１３と、他端に連結された第９のプーリ２１４とが配設されている。つまり、第６のプーリ２１１及び第８のプーリ２１２は軸２１１Ａで回転自在に連結され、第７のプーリ２１３及び第９のプーリ２１４は軸２１３Ａで回転自在に連結されている。

【0039】

第６のプーリ２１１及び第８のプーリ２１２は同一径であり、第７のプーリ２１３及び第９のプーリ２１４は同一径である。第１回転軸にそれぞれ対向して配設されている第１の駆動体２０１及び第３の駆動体２０３と、第２の駆動体２０２及び第４の駆動体２０４との間に、第２回転軸が配置される位置関係となっている。

【0040】

また、第２回転軸と直交する第３回転軸の一端に設けられた第１０のプーリ２２０と、他端に第１の減速装置２２１を介して連結されたグリッパ２９０と、第１０のプーリ２２０を貫通した軸２３０Ａの一端に設けられた第１１のプーリ２３０と、第１１のプーリ２３０の他端に設けられた第２の減速装置２３１で駆動されるグリッパ２９０の把持部材２９１及び２９２とが設けられている。第１０のプーリ２２０と第１１のプーリ２３０との間に第２回転軸が配置される位置関係であり、把持部材２９１及び２９２の回転（θ_４）によりグリッパ２９０の開閉が行われる。

【0041】

減速装置２２１及び２３１として、波動歯車装置（ハーモニックドライブ（登録商標））や遊星歯車機構を用いることができ、減速装置２２１はプーリ２２０の回転を減速してグリッパ２９０を回転（θ_３）し、減速装置２３１はプーリ２３０の回転を減速（減速比η）して、把持部材２２２及び２３２を回転（θ_４）するように伝達する。

【0042】

そして、第１のプーリ２０１Ｃ、第５のプーリ２１０、第２のプーリ２０２Ｃには、プーリ、ローラーなどで成る方向変換用回転体２４１及び２４２を介してワイヤ２４０が懸架されており、第３のプーリ２０３Ｃ、第７のプーリ２１３Ｃには、方向変換用回転体２５１を介してワイヤ２５０が懸架されており、第４のプーリ２０４Ｃ、第６のプーリ２１１には、方向変換用回転体２６１を介してワイヤ２６０が懸架されている。また、第９のプーリ２１４、第１０のプーリ２２０には、方向変換用回転体２７１を介してワイヤ２７０が懸架されており、第８のプーリ２１２、第１１のプーリ２３０には、方向変換用回転体２８１を介してワイヤ２８０が懸架されている。

【0043】

このような手首機構２００において、駆動力Ｘ_１によるプーリ２０１Ｃの駆動と駆動力Ｘ_２によるプーリ２０２Ｃの駆動により、第２回転軸の第１回転軸回りの回転角θ_２と自分自身の第２回転軸回りの回転角θ_１を制御することができる。回転角θ_１及びθ_２は、上記数１及び数２で表わされる。

【0044】

また、駆動源からの駆動力Ｘ_３により駆動輪２０３Ｂを回転させると、軸２０３Ａを経てプーリ２０３Ｃが回転し、ワイヤ２５０が方向変換用回転体２５１を介してプーリ２１３を回転することにより、軸２１３Ａが回転する。軸２１３Ａの他端にはプーリ２１４が連結されているので、プーリ２１４が回転し、ワイヤ２７０が回転変換用回転体２７１を介して懸架されているプーリ２２０を回転し、減速装置２２１を介してグリッパ２９０の第３回転軸回りの回転θ_３が得られる。回転θ_３は上記数３で表わされる。

【0045】

更に、駆動源からの駆動力Ｘ_４により駆動輪２０４Ｂを回転させると、軸２０４Ａを経てプーリ２０４Ｃが回転し、ワイヤ２６０が方向変換用回転体２６１を介してプーリ２１１を回転することにより、軸２１１Ａが回転する。軸２１１Ａの他端にはプーリ２１２が連結されているので、プーリ２１２が回転し、ワイヤ２８０が方向変換用回転体２８１を介して懸架されているプーリ２３０を回転し、減速装置２３１（減速比η）を介して把持部材２９１及び２９２か回転（θ_４）することにより、グリッパ２９０が開閉される。回転（θ_４）は上記数４で表わされる。

【0046】

上述のように、図１０に示されるロボットのプーリ式手首機構２００によれば、根本側からメカニカルな動力伝達系で伝搬される４つの駆動源からの駆動力Ｘ_１～Ｘ_４により、互いに直交する３軸自由度の回転運動θ_１～θ_３と、把持部材２９１及び２９２で成るグリッパ２９０を開閉（回転θ_４）する１自由度の開閉運動とを実現している。入力（φ_１～φ_４）と出力（θ_１～θ_４）の関係は、第１実施形態と同様であり、数５となる。

【0047】

図１０に示す原理機構による具体的な実施例を、図１１～図１４に示して説明する。図１１は、本発明に係る実施例のプーリ式手首機構４００の平面図であり、図１２は平面的断面図であり、図１３は外観斜視図であり、図１４はその内部構造図である。図１１～図１４に示されるように、プーリ式手首機構４００は駆動力伝達部４１０、駆動部４２０、連結部４３０及びグリッパ４４０で構成されている。グリッパ４４０は、円柱状の把持部材４４１及び４４２で構成されている。

【0048】

駆動力伝達部４１０には駆動力（Ｘ_１～Ｘ_４）を伝達するベルト４１１～４１４が配設され、ベルト４１１～４１４は駆動部４２０内の駆動輪４２１Ｂ～４２４Ｂにそれぞれ懸架されている。駆動輪４２１Ｂ～４２４Ｂの軸の他端にはそれぞれプーリ４２１Ｃ～４２４Ｃが連結されており、駆動部４２０には図１０で説明したと同様なプーリが設けられており、これらプーリとプーリ４２１Ｃ～４２４Ｃとの間にはワイヤが懸架されている。駆動部４２０内の各プーリ（図１０のプーリ２１１，２１３に対応）の回転軸の他端には、連結部４３０においてプーリ４３３及び４３４（図１０に示すプーリ２３０，２２０に対応）が連結されている。プーリ４３３には減速装置４３２が連結されており、減速装置４３２にグリッパ４４０の把持部材４４１及び４４２が取り付けられている。また、プーリ４３４には、減速装置４３１が連結されている。

【0049】

このような機構において、駆動力（Ｘ_１～Ｘ_４）に基づく駆動力伝達部４１０のベルト４１１～４１４の駆動により、図１０で説明した動作と同様に、第１回転軸回りの回転θ_１，第２回転軸回りの回転θ_２，第３回転軸回りの回転θ_３及びグリッパ４４０の開閉（回転θ_４）を制御することができる。

【0050】

なお、第２実施形態では回転輪としてプーリ、紐状部材としてワイヤを用いた例を挙げて説明したが、プーリに代えてスプロケットを使用し、ワイヤに代えてチェーンを使用した構成でも良い。

【符号の説明】

【0051】

１～３、３１，３２ 駆動体
３－１、３１－１、３２－１ 把持部材
４ 連結部
１１～１４ 駆動源
２０ グリッパ
１００、３００ 歯車式手首機構
１０１～１０４、１１０～１１４、１２０，１２１ 傘歯車
１３０ 減速機構
１４０、２９０、３４０、４４０ グリッパ
１４１、１４２、３４１、３４２ 把持部材
２００、４００ プーリ式手首機構
２０１～２０４ 駆動体
２２１、２３１ 減速装置
２２２、２３２ 把持部材
２４０、２５０、２６０、２７０、２８０ ワイヤ
２４１、２５１、２６１、２７１、２８１ 方向変換用回転体
３１０、４１０ 駆動力伝達部
３２０、４２０ 駆動部
３３０、４３０ 連結部
３４３ ウォームギア
３４４ リンク機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】